纳米富锂材料涂覆改性的锂电池隔膜性能研究

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锂离子电池有着能量密度大、平均输出电压高、可快速充放电等特点,应用十分广泛。隔膜作为锂离子电池中最重要的组成部件之一,不仅要求有良好的电解液吸液量,还要求其有一定的热稳定性,保证电池的安全性。因此大多数隔膜采用在表面涂覆一层无机材料提升隔膜的电化学性能和热稳定性。固体电解质界面(SEI)膜形成时,锂离子电池电解液中溶质和溶剂发生电化学反应,生成SEI膜的主要无机成分,LiF和Li2CO3。本文采用不同的沉淀法制备了纳米LiF和Li2CO3,通过浸渍涂覆将纳米LiF和Li2CO3涂覆在隔膜两侧,对涂覆改性后隔膜的热稳定性、孔隙率、吸液率和接触角等性能进行了表征,并将改性隔膜运用到全电池中,进行了电化学性能测试。主要实验结果如下:(1)通过控制沉淀反应的反应物和溶剂的固液比,制备了不同粒径的LiF纳米粒子,考察了LiF纳米涂覆在隔膜两侧对电池循环性能的影响,实验结果表明,100次循环以后,158 nm的LiF粒子改性隔膜制备的锂离子电池的具有最高的电池容量,随着LiF粒子涂覆厚度的增加,电池的初始容量和电解液吸液率呈上升趋势。这是因为电解液和电极材料反应生成的SEI膜本身含有LiF成分,涂覆了LiF的隔膜和电极表面接触,化成时会为SEI膜生长提供初始位点,并诱导SEI形成更致密的层结构,阻止电解液和电极材料进一步反应,从而减少电解液和电极材料的消耗。实验结果还表明,随着LiF粒子涂覆厚度的增加,隔膜的热稳定性和亲水性能得到明显改善,其中涂覆了8 g LiF纳米粒子的LFCoated-8样品在120℃时的热收缩率仅为1.4%。(2)通过控制沉淀反应时溶剂中乙醇的含量,制备了粒径为330 nm的Li2CO3粒子,考察了Li2CO3不同涂覆厚度改性隔膜的物理性能和电化学性能。实验结果表明,随着涂覆厚度的增加,Li2CO3改性隔膜的热稳定和亲水性逐渐提高。电池初始容量呈逐渐增大的趋势,Li2CO3改性隔膜在100次循环中有更稳定库伦效率。这归因于Li2CO3化成时可以使电化学反应平台更早的出现,提前形成SEI膜并诱导SEI形成更致密的膜结构。(3)研究了LiF和Li2CO3涂覆改性隔膜的协同效应对电池性能的影响。电化学性能测试表明,LiF/Li2CO3的改性隔膜比单独使用LiF和Li2CO3涂覆隔膜有着更好的倍率性能和循环性能,在100次循环后仍然保持82.69%的电池容量。LiF和Li2CO3的存在可以使SEI膜在电极表面以不同的位点和成份以LiF和Li2CO3为骨架开始迅速生长,可以在SEI膜中使LiF和Li2CO3有更多的含量,增加了电池循环测试时前几次循环时的库伦效率。
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